DE102013212102A1

DE102013212102A1 - Mikromechanisches Bauteil, Mikrospiegelvorrichtung und Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil

Info

Publication number: DE102013212102A1
Application number: DE102013212102.4A
Authority: DE
Inventors: Rainer Straub; Stefan Pinter; Johannes Baader; Frederic Njikam Njimonzie; Joerg Muchow; Helmut Grutzeck; Simon Armbruster; Zoltan Lestyan
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2015-01-08
Also published as: US20140376071A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil mit einer Halterung (10), und einer in Bezug zu der Halterung (10) um mindestens eine Rotationsachse (12) verstellbaren Spiegelplatte (14) mit einer Spiegelseite (16) und einer von der Spiegelseite (16) weg gerichteten Rückseite (18), wobei die Spiegelplatte (14) mit der Halterung (10) zumindest über vier Federn (20) verbunden ist, wobei jede der vier Federn (20) teilweise an der Rückseite (18) der Spiegelplatte (14) entlang verläuft und über je einen Stützpfosten (22), welcher jeweils einen auf der Rückseite (18) liegenden Verankerungsbereich (24) kontaktiert, mit der Spiegelplatte (14) verbunden ist. Ebenso betrifft die Erfindung eine Mikrospiegelvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil und eine Mikrospiegelvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.
Stand der Technik
In der US 7,567,367 B2 ist eine Mikrospiegelvorrichtung beschrieben. Die Mikrospiegelvorrichtung weist in einer Ausführungsform eine um zwei Rotationsachsen verstellbare Spiegelplatte auf, wobei die Spiegelplatte über zwei äußere Federn und zwei innere Federn mit einer Halterung verbunden ist. Die äußeren Federn verlaufen zwischen der Halterung und einem äußeren Rahmen. Zwischen dem äußeren Rahmen und einem inneren Rahmen sind die inneren Federn angeordnet. Der innere Rahmen ist mittels vier Verbindungselementen mit der Spiegelplatte verbunden. Die vier Verbindungselemente weisen Verankerungsbereiche an einem Seitenrand der Spiegelplatte auf, wobei eine erste Rotationsachse der beiden Rotationsachsen zwei Verankerungsbereiche schneidet und eine zweite Rotationsachse der zwei Rotationsachsen durch die zwei weiteren Verankerungsbereiche verläuft.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Mikrospiegelvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
Vorteile der Erfindung
Mittels der erfindungsgemäßen Anbindung der Spiegelplatte an die Halterung über die vier Federn mit je einem die Rückseite der Spiegelplatte kontaktierenden Stützpfosten lassen sich während eines Verstellens der Spiegelplatte um die mindestens eine Rotationsachse auftretende (dynamische) Deformation der Spiegelseite der Spiegelplatte verhindern/minimieren. Somit ist bei den Gegenständen der vorliegenden Erfindung die Spiegelseite der Spiegelplatte während des Verstellens der Spiegelplatte um die mindestens eine Rotationsachse vor einer Deformation verlässlich geschützt. Bei einem mittels der Spiegelseite der Spiegelplatte abgelenkten Lichtstrahl treten dessen seltener unerwünschte Beugungen auf. Die vorliegende Erfindung eignet sich somit besonders zum Realisieren von mikromechanischen Bauteilen, mittels welchen Lichtstrahlen ablenkbar sind, ohne dass dabei eine unerwünschte Aufweitung eines Lichtpunkts auftritt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils liegt jeder der vier Verankerungsbereiche der vier Stützpfosten um einen Vektor mit einer parallel zu der Spiegelseite ausgerichteten Komponente beabstandet von der mindestens einen Rotationsachse. Man kann dies auch so umschreiben, dass jede der vier Federn die Rückseite der Spiegelplatte an jeweils einem Punkt angreift, welcher nicht mit der mindestens einen Rotationsachse zusammenfällt. Eine derartige Anbindung der vier Stützpfosten an der Rückseite der Spiegelplatte trägt zu einer zusätzlichen Verringerung der (dynamischen) Deformation der Spiegelseite der Spiegelplatte während des Verstellens der Spiegelplatte um die mindestens eine Drehachse bei.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von vier Federn mit jeweils einem Verankerungsbereich beschrieben ist, können zu ihrer Realisierung auch mehr als die vier Federn eingesetzt werden. Außerdem kann jede der mindestens vier Federn auch mit mehreren Verankerungsbereichen ausgebildet sein.
Vorzugsweise sind die vier Verankerungsbereiche achsensymmetrisch zu der mindestens einen Rotationsachse auf der Rückseite angeordnet. Dies bewirkt eine gleichmäßigere Verteilung der mittels der Federn auf die Rückseite der Spiegelplatte ausgeübten Kräfte, und damit eine geringere Deformation der Spiegelseite der Spiegelplatte während ihres Verstellens.
Beispielsweise können die vier Verankerungsbereiche achsensymmetrisch zu der einzigen Rotationsachse und einer orthogonal zu der einzigen Rotationsachse ausgerichteten Spiegelsymmetrieachse oder achsensymmetrisch zu den zwei Rotationsachsen auf der Rückseite angeordnet sein. Eine gleichmäßige Verteilung der mittels der Federn auf die Rückseite der Spiegelplatte ausgeübten Kräfte ist in beiden Fällen gewährleistet.
Bevorzugter Weise ist jeder der vier Verankerungsbereiche der vier Stützpfosten beabstandet von einem Seitenrand der Rückseite. Der Abstand zwischen den Verankerungsbereichen und dem Seitenrand der Rückseite kann beispielsweise mindestens 5 % einer Ausdehnung der Spiegelplatte, bzw. 0,1 mm bei einer Ausdehnung von mindestens 2 mm, betragen. Durch die von dem Seitenrand der Rückseite beabstandete Verankerung der vier Stützpfosten ist eine Spiegelaufhängung realisierbar, welche zu einer Minimierung der durch die vier Federn induzierten Verformung der Spiegelseite der Spiegelplatte beiträgt.
Beispielsweise kann die Spiegelplatte eine Ausdehnung von mindestens 2 mm aufweisen, wobei ein aus der Spiegelplatte und den vier Federn gebildetes System eine Eigenfrequenz von mindestens 18 kHz hat. Insbesondere kann das System eine Eigenfrequenz, von mindestens 20 kHz, 22 kHz, 25 kHz oder 30 kHz aufweisen. Wie unten genauer erläutert wird, kann die Spiegelplatte vergleichsweise groß/großflächig ausgebildet werden, ohne dass ihre vorteilhafte Verstellbarkeit um die mindestens eine Rotationsachse (nahezu) frei von (dynamischen) Deformationen der Spiegelseite der Spiegelplatte beeinträchtigt wird.
Außerdem können die vier Federn zumindest streckenabschnittsweise schneckenförmig, mäanderförmig und/oder schlaufenförmig ausgebildet sein. Die vier Federn können somit vergleichsweise lang ausgebildet werden, ohne dass dies mit einer unerwünschten Steigerung eines Bauraumbedarfs des mikromechanischen Bauteils verbunden ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind an der Rückseite der Spiegelplatte Verstrebungen ausgebildet, welche sich von einer zentralen Verdickung der Spiegelplatte zu einem Randbereich der Rückseite erstrecken. Selbst eine Spiegelplatte mit einer relativ kleinen Mindestdicke d kann so eine geringe dynamische Verformung aufweisen.
Vorzugsweise sind einige der Verstrebungen um einen Neigungswinkel zwischen 30° und 60° geneigt zu der mindestens einen Rotationsachse ausgerichtet und haben eine senkrecht zu der Spiegelseite ausgerichtete erste Breite, welche größer als eine senkrecht zu der Spiegelseite ausgerichtete zweite Breite der anderen Verstrebungen ist. Mittels einer derartigen Ausbildung der Rückseite der Spiegelplatte können Verformungen von Ecken und/oder von der mindestens einen Rotationsachse beabstandeten Randbereichen der Spiegelplatte verhindert werden.
Als Alternative oder als Ergänzung dazu kann auf der Rückseite ein die zentrale Verdickung umgebender Ring ausgebildet sein, dessen Radius kleiner als eine sich von der zentralen Verdickung weg erstreckende Länge der Verstrebungen ist. Ein derartiger Ring verbessert trotz seines geringen Trägheitsmoments die Stabilität der Spiegelplatte.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist auf der Rückseite der Spiegelplatte ein zentraler T-Balken ausgebildet, welcher entlang der einzigen Rotationsachse verläuft und senkrecht zu der einzigen Rotationsachse einen T-förmigen Querschnitt aufweist. Auch mittels eines derartigen T-Balkens lässt sich die Stabilität der Spiegelplatte steigern.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das mikromechanische Bauteil zusätzlich einen (zweiten) Mikrospiegel, welcher in Bezug zu der Halterung um eine Drehachse verstellbar ist, welche senkrecht zu der einzigen Rotationsachse, um welche die Spiegelplatte in Bezug zu der Halterung verstellbar ist, ausgerichtet ist, wobei der Mikrospiegel so zu der Spiegelplatte angeordnet ist, dass ein an dem Mikrospiegel abgelenkter Lichtstrahl auf die Spiegelseite der Spiegelplatte ablenkbar ist. Mittels der vorliegenden Erfindung lässt sich somit auch ein Zwei-Mikrospiegel-System vorteilhaft weiterbilden.
Die oben aufgezählten Vorteile sind auch bei einer Mikrospiegelvorrichtung mit einem entsprechenden mikromechanischen Bauteil realisiert.
Die Mikrospiegelvorrichtung kann insbesondere als Bild- und/oder Filmprojektor ausgebildet sein. Da mittels der vorliegenden Erfindung ein Lichtstrahl auf eine Projektionsfläche projizierbar ist, ohne dass es zu einer unerwünschten Aufweitung des Lichtpunkts kommt, ist eine gute Qualität eines mittels der Mikrospiegelvorrichtung projizierten Bildes oder Filmes gewährleistet.
Des Weiteren sind die Vorteile realisierbar durch ein Ausführen des korrespondierenden Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil. Das Herstellungsverfahren kann entsprechend den oben beschriebenen Ausführungsformen weitergebildet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1a bis 1e schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils und eine berechnete dynamische Spiegeldeformation (FEM-Simulation);
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
5a und 5b schematische Darstellungen einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 5b einen Querschnitt entlang der Linie BB’ der 5a darstellt;
6a und 6b schematische Darstellungen einer sechsten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 6b einen Querschnitt entlang der Linie CC’ der 6a darstellt;
7 eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
8 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Ausführungsformen der Erfindung
1a bis 1e zeigen schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils und eine berechnete dynamische Spiegeldeformation (FEM-Simulation).
Das in 1a in Rückseitenansicht schematisch darstellte mikromechanische Bauteil weist eine Halterung 10 und eine in Bezug zu der Halterung 10 um mindestens eine Rotationsachse 12 verstellbare Spiegelplatte 14 auf. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Spiegelplatte 14 lediglich um die einzige Rotationsachse 12 in Bezug zu der Halterung 10 verstellbar. Als Alternative dazu kann die Spiegelplatte 14 jedoch auch um zwei Rotationsachsen verstellbar sein, welche vorzugsweise senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Die Spiegelplatte 14 hat eine Spiegelseite 16 und eine von der Spiegelseite 16 weg gerichtete Rückseite 18. Die Spiegelseite 16 kann beispielsweise mittels einer (Teil-)Polierung und/oder einer reflektierenden (Teil-)Beschichtung der Spiegelplatte 14 ausgebildet sein.
Die Spiegelplatte 14 ist zumindest über vier Federn 20 mit der Halterung 10 verbunden. Jede der vier Federn 20 verläuft teilweise an der Rückseite 18 der Spiegelplatte 14 entlang. Außerdem ist jede der vier Federn 20 über je einen Stützpfosten 22 mit der Spiegelplatte 14 verbunden. Jeder der Stützpfosten 22 kontaktiert einen auf der Rückseite 18 liegenden Verankerungsbereich 24 der Spiegelplatte 14.
Aufgrund der vorteilhaften Anbindung der vier Federn 20 an die Rückseite 18 der Spiegelplatte 14 über die vier Stützpfosten 22 können bei einem (vorzugsweise hochfrequenten) Verstellen der Spiegelplatte 14 um die mindestens eine Rotationsachse 12 insbesondere an der Spiegelseite 16 der Spiegelplatte 14 auftretende (dynamische) Deformationen reduziert/vermieden werden. Die Verwendung der vier Federn 20 und der vier Stützpfosten 22 bewirkt auch vier Angriffspunkte, über welche ein mechanischer Stress von den vier Federn auf die Spiegelplatte 14 ausübbar ist. Die dynamische Verformung der Spiegelplatte 14 beruht auf der Eigenträgheit der Spiegelplatte 14 und den Federangriffskräften. Dadurch, dass die Federn 20 an mehreren Stellen die Spiegelplatte 14 angreifen, kann das gesamte mechanische System so optimiert werden, dass sich die Federangriffskräfte und die durch die Eigenträgheit der Spiegelplatte 14 hervorgerufenen Kräfte gegenseitig aufheben. Damit kann eine vergleichsweise geringe (dynamische) Verformung der Spiegelseite 16 bei dem Verstellen der Spiegelplatte 14 um die mindestens eine Rotationsachse 12 sichergestellt werden.
Mittels einer somit gewährleisteten Verringerung der (dynamischen) Deformation der Spiegelseite 16 können unerwünschte Beugungseffekte bei einem während des Verstellens der Spiegelplatte 14 um die mindestens eine Rotationsachse 12 an der Spiegelseite 16 reflektierten Lichtstrahls verhindert/minimiert werden. Insbesondere ist eine unerwünschte Aufweitung des an der Spiegelseite 16 reflektierten Lichtstrahls (nahezu) unterbunden.
Die Stützpfosten 22 können zwischen einer ersten Ebene der vier Federn 20 und einer zweiten Ebene der Spiegelplatte 14 verlaufen. Dies ist auch so umschreibbar, dass sich die Stützpfosten 22 senkrecht zu der Spiegelseite 16 von den Federn 20 zu der Spiegelplatte 14 erstrecken.
Bei dem mikromechanischen Bauteil der 1a ist jede der vier Federn 20 an einem ersten Federende 20a mit der Halterung 10, insbesondere mit einem Rahmenteil der Halterung 10, verbunden. Eine Alternative zu einer einzelnen Anbindung der vier Federn 20 an die Halterung 10 wird unten noch beschrieben. An jedem zweiten Federende 20b der vier Federn 20 ist je ein Stützpfosten 22 angebunden/ausgebildet.
In der Ausführungsform der 1a bis 1e sind die vier Federn 20 zumindest streckenabschnittsweise schneckenförmig ausgebildet. Darunter kann verstanden werden, dass jede der vier Federn 20 eine eingerollte Form aufweist, so dass ein zweites Federende 20b von einem Federabschnitt der gleichen Feder 20 zumindest teilweise umgeben ist. Eine derartige Ausbildung der vier Federn 20 ist mit dem Vorteil verbunden, dass diese vergleichsweise lang ausgebildet werden können, ohne dass eine Ausdehnung des mikromechanischen Bauteils, und damit dessen Bauraumbedarf, (signifikant) gesteigert wird. Die Federn 20 können außerdem vergleichsweise steif ausgebildet werden, ohne dass der darin auftretende mechanische Stress Werte annimmt, bei welchen eine Beschädigung/ein Bruch der Federn 20 zu befürchten ist.
1b und 1c zeigen eine berechnete dynamische Spiegeldeformation (FEM-Simulation), welche durch eine hochfrequente Bewegung der Spiegelplatte 14 bewirkt wird (1c zeigt eine Vergrößerung der 1b).
Wie anhand der Simulation zu erkennen ist, kann eine Deformation über die gesamte Spiegelseite 16 auf ca. 0,2 µm gesenkt werden. Innerhalb eines Laserspots (mit einem Druckmesser von 1mm in der Regel) beträgt die Verformung damit weniger als 0,1 µm. Auf diese Weise ist gewährleistbar, dass selbst bei einem Verstellen der Spiegelplatte 14 um die einzige Drehachse 12 mit hohen Frequenzen eine an der Spiegelplatte 16 auftretende (dynamische) Deformation einer idealen Vorgabe von einer Spiegeldeformation von höchstens einem Zehntel einer Wellenlänge eines mittels der Spiegelseite 16 gespiegelten Lichts nahekommt. Somit ist insbesondere eine unerwünschte Aufweitung eines mittels der Spiegelseite 16 gespiegelten Lichtstrahls verhinderbar.
Bei dem in 1a schematisch dargestellten mikromechanischen Bauteil ist jeder der vier Verankerungsbereiche 24 der vier Stützpfosten 22 beabstandet von einem Seitenrand der Rückseite 18. Vorzugsweise beträgt ein Mindestabstand zwischen jedem der vier Verankerungsbereiche 24 und dem Seitenrand der Rückseite 18 mindestens 5 % einer Ausdehnung a der Rückseite 18/der Spiegelplatte 14. Insbesondere kann der Mindestabstand zwischen jeden der vier Verankerungsbereiche 24 und dem Seitenrand der Rückseite 18 mindestens 10 % der Ausdehnung a betragen. Bevorzugter Weise liegt der Mindestabstand der vier Verankerungsbereiche 24 von dem Seitenrand der Rückseite 18 bei mindestens 20 % der Ausdehnung a. (Unter der Ausdehnung a kann eine maximale Länge/Breite der Spiegelplatte 14 verstanden werden.)
Eine durch die vier Federn 20 induzierte Verformung der Spiegelplatte 14 ist auf diese Weise minimierbar. Durch eine gezielte Steigerung eines mittels der vier angreifenden Federn 20 auf die Spiegelplatte 14 ausgeübten mechanischen Stresses können aus der Eigenträgheit der Spiegelplatte 14 resultierende Kräfte zumindest teilweise kompensiert werden. Zusätzlich ist durch die Realisierung von vier Aufhängepunkten an den vier Verankerungsbereichen 24 gewährleistet, dass noch ein ausreichend großer Abstand zwischen den Verankerungsbereichen 24 und einem Schwerpunkt der Spiegelplatte 14 vorliegt. Zusammenfassend kann deshalb festgehalten werden, dass die Anbindung der Spiegelplatte 14 an die Halterung 10 über die vier Federn 20 und die vier Stützpfosten 22 mit Verankerungsbereichen 24, welche beabstandet von dem Seitenrand der Rückseite 18 sind, eine Verbesserung gegenüber einer zentralen Spiegelaufhängung gemäß dem Stand der Technik und einer herkömmlichen Spiegelaufhängung mittels den seitlichen Spiegelrand kontaktierenden Federn/Verbindungselementen darstellt. Die Spiegelplatte 14 kann eine vergleichsweise große Ausdehnung a haben. Beispielsweise weist die Spiegelplatte 14 eine Ausdehnung a von mindestens 2 mm, vorzugsweise mindestens 2,5 mm, insbesondere mindestens 3 mm, auf. Auf eine besonders vorteilhafte Verwendungsmöglichkeit einer derart großen Spiegelplatte 14 wird unten noch genauer eingegangen. Insbesondere kann ein aus der Spiegelplatte 14 und den vier Federn 20 gebildetes System eine Eigenfrequenz von mindestens 18 kHz, insbesondere von mindestens 20 kHz, 22 kHz, 25 kHz oder 30 kHz, haben. Die Spiegelplatte 14 kann somit in Resonanz verstellt werden.
Bevorzugter Weise liegt jeder der vier Verankerungsbereiche 24 der vier Stützpfosten 22 um einen Vektor mit einer parallel zu der Spiegelseite 16 ausgerichteten Komponente beabstandet von der mindestens einen Rotationsachse 12. Dies trägt zu einer verbesserten Kompensation des Trägheitsmoments der Spiegelplatte 14 gegenüber einer herkömmlichen Spiegelaufhängung mit mindestens einem Verankerungsbereich an einem Spiegel, welcher von der mindestens einen Drehachse des Spiegels geschnitten wird, bei.
Außerdem können die vier Verankerungsbereiche 24 achsensymmetrisch zu der mindestens einen Rotationsachse 12 auf der Rückseite 18 angeordnet sein. Diese Achsensymmetrie der vier Verankerungsbereiche 24 in Bezug zu der mindestens einen Rotationsachse 12 kann zu einem gegenseitigen Aufheben von (dynamischen) Deformationen beitragen. In der Ausführungsform der 1a sind die vier Verankerungsbereiche 24 achsensymmetrisch zu der einzigen Rotationsachse 12 und einer orthogonal zu der einzigen Rotationsachse 12 ausgerichteten Spiegelsymmetrieachse 26 angeordnet. Ebenso können die Verankerungsbereiche 24 bei einer Verstellbarkeit der Spiegelplatte 14 um zwei Rotationsachsen 12 achsensymmetrisch zu den zwei Rotationsachsen 12 auf der Rückseite 18 angeordnet sein.
1d zeigt eine vergrößerte Rückseitenansicht der Spiegelplatte 14. Für das mikromechanische Bauteil kann eine vergleichsweise dünne Spiegelplatte 14, beispielsweise mit einer senkrecht zu der Spiegelseite 16 ausgerichteten Mindestdicke d von höchstens 200 µm, insbesondere mit einer Mindestdicke d von 100 µm, verwendet werden. Zum Verbessern einer Stabilität der Spiegelplatte 14 können Verstrebungen 28 an der Rückseite 18 ausgebildet sein. Beispielsweise können die Verstrebungen 28 sich von einer zentralen Verdickung 30 der Spiegelplatte 14 zu einem Randbereich der Rückseite 18 erstrecken, wobei eine Breite der Verstrebungen 28 mit zunehmendem Abstand von der zentralen Verdickung 30 abnimmt. Man kann eine derartige Ausbildung der Verstrebungen 28 auch als sternförmig umschreiben. Des Weiteren kann auch ein Seitenrand 32 an der Rückseite 18 ausgebildet sein, in welchem die von der zentralen Verdickung 30 weg gerichteten Enden der Verstrebungen 28 münden. Eine derartige Ausbildung der Rückseite 18 ist mittels eines Ätzens von mittig zulaufenden Kreissektoren 34 in die Spiegelplatte 14 auf einfache Weise ausbildbar.
1e zeigt einen Querschnitt durch das mikromechanische Bauteil entlang einer Linie AA’ der 1a, welche senkrecht zu der einzigen Rotationsachse 12 und parallel zu einer Ruhestellung der Spiegelseite 16 verläuft. Zu erkennen ist, dass das mikromechanische Bauteil mittels einfacher Ätzverfahren aus einem SOI-Substrat (Semiconductor-On-Isolator-Substrat) herausstrukturiert werden kann. Die vier Federn 20 können aus einem Halbleitersubstrat 36 herausstrukturiert sein, während die Spiegelplatte 14 aus einer Halbleiterschicht 38 herstellbar ist, welche mittels einer Isolierschicht 40 von dem Halbleitersubstrat 36 beabstandet ist. Die Stützpfosten 22 können aus der vorherigen Isolierschicht 40 ausgebildet sein. Für das Bilden der Halterung 10 können Teilbereiche aller Schichten 36–40 verwendet werden. Das mikromechanische Bauteil ist somit mittels einfach ausführbarer Strukturierungsverfahren herstellbar.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
In der Ausführungsform der 2 sind die vier Federn 20 zumindest streckenabschnittsweise schlaufenförmig ausgebildet. Insbesondere kann jede der vier Federn 20 zumindest streckenabschnittsweise 2-fach geschlauft geformt sein. Unter einer geschlauften Ausführung einer Feder 20 kann verstanden werden, dass zwei Federunterabschnitte 20c und 20d mit einem dazwischen liegenden Zwischenfederabschnitt 20e mittels einer Faltung des Zwischenfederabschnitts 20e aneinander angenähert sind. Entsprechend kann über eine weitere Faltung des Zwischenfederabschnitts 20e eine 2-fach geschlaufte Feder 20 ausgebildet sein. Auch mittels einer zumindest 1-fach geschlauften Ausbildung der vier Federn 20 können diese ohne eine Steigerung der Ausdehnung des mikromechanischen Bauteils vergleichsweise lang ausgebildet werden. Dies erlaubt auch eine relativ steife Ausbildung der vier Federn 20. Ansonsten wird bezüglich der Komponenten des mikromechanischen Bauteils der 2 auf die oberen Ausführungen verwiesen.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das mittels der 3 schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil hat vier Federn 20, welche zumindest streckenabschnittsweise mäanderförmig verlaufen. Auch auf diese Weise können die Federn vorteilhaft lang ausgebildet werden, ohne dass dazu eine unerwünschte Vergrößerung einer Ausdehnung des mikromechanischen Bauteils in Kauf zu nehmen ist. Eine relativ steife Ausbildung der vier Federn 20 des mikromechanischen Bauteils der 3 ist somit leicht realisierbar.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das mikromechanische Bauteil der 4 weist zwei Verbindungsstege 42 auf, welche an einem ersten Ende 42a an einem Halterungsrahmen der Halterung 10 verankert sind und sich entlang der einzigen Drehachse 12a erstrecken. Ein zweites Ende 42b jedes Verbindungsstegs 42 ragt in den von dem Halterungsrahmen der Halterung 10 umrahmten Innenraum hinein. Je zwei Federn 20 sind an den zweiten Enden 42b der Verbindungsstege 42 befestigt. Die schneckenförmige Ausbildung der vier Federn 20 ist lediglich beispielhaft zu interpretieren. Man kann die gemeinsame Anbindung von zwei Federn 20 an den Halterungsrahmen der Halterung 10 über einen gemeinsamen Verbindungssteg 42 auch so umschreiben, dass die zum dem Halterungsrahmen der Halterung 10 ausgerichteten Federabschnitte der beiden Federn 20 ineinander münden.
5a und 5b zeigen schematische Darstellungen einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 5b einen Querschnitt entlang der Linie BB’ der 5a darstellt.
In 5a ist eine vergrößerte Rückseitenansicht der Spiegelplatte 14 des mikromechanischen Bauteils dargestellt. Auch das mikromechanische Bauteil kann eine vergleichsweise dünne Spiegelplatte 14 haben. Eine senkrecht zu der Spiegelseite 16 ausgerichtete Mindestdicke d der Spiegelplatte 14 kann kleiner-gleich 200 µm, insbesondere kleiner-gleich 100 µm, sein. Zum Verbessern einer Stabilität der Spiegelplatte 14 sind erneut Verstrebungen 28a und 28b an der Rückseite 18 ausgebildet, welche sich von der zentralen Verdickung 30 der Spiegelplatte 14 zu einem Randbereich der Rückseite 18 erstrecken.
Bevorzugter Weise verlaufen einige Verstrebungen 28a um einen Neigungswinkel zwischen 30° und 60° (bzw. um einen Neigungswinkel zwischen 120° und 150°) zu der mindestens einen Rotationsachse 12. Damit können mittels der Verstrebungen 28a gezielt Verformungen von Ecken und/oder von der mindestens einen Rotationsachse 12 beabstandet liegenden Randbereichen der Spiegelplatte 14 während ihres Verstellens um die mindestens eine Rotationsachse 12 unterdrückt werden. Insbesondere können die um den Neigungswinkel zwischen 30° und 60° (bzw. um den Neigungswinkel zwischen 120° und 150°) zu der mindestens einen Rotationsachse 12 geneigt ausgerichteten Verstrebungen 28a eine senkrecht zu der Spiegelseite 16 ausgerichtete (mittlere) erste Breite s1 haben, welche größer als eine (mittlere) zweite Breite s2 der anderen Verstrebungen 28b senkrecht zu der Spiegelseite 16 ist. Die Verstrebungen 28a mit der größeren (mittleren) ersten Breite s1 eignen sich damit besonders gut zum Unterdrücken von Verformungen der Ecken und/oder von der mindestens einen Rotationsachse 12 beabstandet liegenden Randbereichen während eines Verstellens der Spiegelplatte 14 um die mindestens eine Rotationsachse 12.
Außerdem ist auf der Rückseite 18 noch ein die zentrale Verdickung 30 umgebender Ring 44 ausgebildet, dessen Radius kleiner als eine sich von der zentralen Verdickung 30 weg erstreckende Länge der Verstrebungen 28a und 28b ist. Auch der Ring 44 trägt zu einer Steigerung der Stabilität der Spiegelplatte 14 trotz ihrer vergleichsweise kleinen Mindestdicke d bei. Der vergleichsweise kleine Radius des Rings 44 hat außerdem den Vorteil, dass das Trägheitsmoment des Rings 44 um die einzige Rotationsachse 12 geringer ist.
6a und 6b zeigen schematische Darstellungen einer sechsten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 6b einen Querschnitt entlang der Linie CC’ der 6a darstellt.
6a zeigt eine vergrößerte Rückseitenansicht der Spiegelplatte 14 des mikromechanischen Bauteils. Auch bei diesem mikromechanischen Bauteil kann die Spiegelplatte 14 mit einem vergleichsweise kleinen Mindestdicken d ausgebildet sein.
Zum Gewährleisten einer verlässlichen Stabilität der Spiegelplatte 14 ist auf der Rückseite 18 ein zentraler T-Balken 46 ausgebildet, welcher entlang der einzigen Rotationsachse 12 verläuft und senkrecht zu der einzigen Rotationsachse 12 einen T-förmigen Querschnitt aufweist. Dies ist auch so umschreibbar, dass der zentrale T-Balken 46 entlang der einzigen Rotationsachse 12 ein Mittelteil 46a mit einer senkrecht zu der Spiegelseite 16 ausgerichteten ersten Höhe h1 hat, welche größer als eine zweite Höhe h2 (senkrecht zu der Spiegelseite 16) von zwei Seitenteilen 46b des zentralen T-Balkens 46 auf beiden Seiten der einzigen Rotationsachse 12 ist. Der zentrale T-Balken 46 ermöglicht eine relativ geringe rotatorische Trägheit der Spiegelplatte 14 bei einer guten Stabilität insbesondere eines zentralen Bereichs der Spiegelplatte 14.
Optionaler Weise können noch zusätzliche Verstrebungen 28a an der Rückseite 18 der Spiegelplatte 14 ausgebildet sein. Insbesondere durch die Ausstattung der Rückseite 18 der Spiegelplatte 14 mit Verstrebungen 28a, welche um einen Neigungswinkel zwischen 30° und 60° (bzw. um einen Neigungswinkel zwischen 120° und 150°) zu der mindestens einen Rotationsachse 12 geneigt ausgerichtet sind, können gezielt Verformungen von Ecken und/oder von der mindestens einen Rotationsachse 12 beabstandet liegenden Randbereichen der Spiegelplatte 14 während ihres Verstellens um die mindestens eine Rotationsachse 12 unterdrückt werden.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 7 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil kann eine Weiterbildung der zuvor beschriebenen Ausführungsformen sein. Das mikromechanische Bauteil der 7 weist zusätzlich zu der um die Rotationsachse 12 verstellbaren Spiegelplatte 14 noch einen zusätzlichen Mikrospiegel 50 auf. Der Mikrospiegel 50 ist in Bezug zu der Halterung 10 um eine Drehachse 52 verstellbar, welche senkrecht zu der (einzigen) Rotationsachse 12, um welche die Spiegelplatte 14 in Bezug zu der Halterung 10 verstellbar ist, ausgerichtet ist. Auch der Mikrospiegel 50 kann dazu über mindestens zwei Federn 54 mit der Halterung 10 verbunden sein. Der Mikrospiegel 50 ist so zu der Spiegelplatte 14 angeordnet, dass ein an dem Mikrospiegel 50 abgelenkter Lichtstrahl 56 auf die Spiegelseite 16 der Spiegelplatte 14 ablenkbar ist.
Wie oben bereits ausgeführt ist, kann die vorteilhafte Spiegelplatte 14 vergleichsweise groß ausgebildet werden, wobei gleichzeitig noch eine gute Verstellbarkeit der Spiegelplatte 14 um die Rotationsachse 12 gewährleistet ist. (Vorzugsweise weist die Spiegelplatte 14 Ausdehnungen von ca. 1,8 mm × 2,3 mm auf.) Die Spiegelplatte 14 eignet sich deshalb gut für ein Zwei-Spiegel-System, wobei mittels des Mikrospiegels 50 der Lichtstrahl 56 in einer ersten Raumrichtung y auf die Spiegelplatte 14 abgelenkt wird. Aufgrund der vorteilhaft großen Spiegelseite 16 der Spiegelplatte 14 ist selbst bei einem Verstellen des Mikrospiegels 50 um die Drehachse 52 für einen relativ großen Verstellwinkel noch sichergestellt, dass der an dem Mikrospiegel 50 reflektierte Lichtstrahl 56 auf die Spiegelseite 16 der Spiegelplatte 14 trifft. (Dies ist mittels der beiden Lichtauftreffpunkte 58 in 7 schematisch dargestellt.) Mittels der Spiegelplatte 14 kann der Lichtstrahl 56 anschließend auch in eine zweite Raumrichtung x ausgelenkt werden. Die Spiegelplatte 14 ist somit vorteilhaft als zweiter Spiegel in einem Strahlengang eines Zwei-Spiegel-Systems platzierbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Mikrospiegel 50 quasi-statisch um die Drehachse 52 verstellbar. Demgegenüber wird eine resonante Schwingung der Spiegelplatte 14 um die (einzige) Rotationsachse 12 bevorzugt. Beispielsweise kann die Spiegelplatte 14 dazu mit einer Frequenz zwischen 10 kHz bis 50 kHz in Oszillationen versetzt werden. Eine bevorzugte Eigenfrequenz des aus der Spiegelplatte 14 und den vier Federn 20 realisierten Schwingsystem kann aufgrund der vielen Designfreiheitsgrade bei der Formgebung der Spiegelplatte 14 und der vier Federn 20 festgelegt werden.
Aufgrund der Anbindung der vier Federn 20 über die vier Stützpfosten 22 an die Rückseite 18 der Spiegelplatte 14 ist gewährleistet, dass selbst bei einem resonanten Schwingen der Spiegelplatte 14 um die Rotationsachse 12 kaum Deformationen an der Spiegelseite 16 auftreten. Insbesondere bewirkt die vorteilhafte Anbindung der Spiegelplatte 14 über die vier Federn 20, dass die für den Lichtauftreffpunkt des Lichtstrahls 56 relevante Oberflächenverformung höchstens 0,2 µm beträgt. Somit ist eine unerwünschte Aufweitung des an der Spiegelseite 16 reflektierten Lichtstrahls 56 verhindert. Dies gewährleistet eine gute Auflösung eines Bildes, welches über das Ablenken des Lichtstrahls 56, beispielsweise eines Laserstrahls, mittels der Spiegel 14 und 50 auf einer Bildfläche 60 erzeugt wird.
Aufgrund der vorteilhaften Nutzbarkeit des mikromechanischen Bauteils zum Projizieren von Bildern ist eine Mikrospiegelvorrichtung mit einem derartigen mikromechanischen Bauteil vorteilhaft als Bild- und/oder Filmprojektor einsetzbar.
8 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Das mittels des Flussdiagramms der 8 im Weiteren beschriebene Herstellungsverfahren kann beispielsweise zum Herstellen der oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile ausgeführt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass auch andere mikromechanische Bauteile mittels des Herstellungsverfahrens der 8 herstellbar sind.
Beim Ausführen des Herstellungsverfahrens wird in einem Verfahrensschritt S1 eine Spiegelplatte mit einer Spiegelseite und einer von der Spiegelseite weg gerichteten Rückseite zumindest über vier Federn an einer Halterung angebunden. Dies geschieht derart, dass die Spiegelplatte bei einem Betrieb des fertigen mikromechanischen Bauteils in Bezug zu der Halterung um mindestens eine Rotationsachse verstellt wird. Dazu wird jede der vier Federn teilweise an der Rückseite der Spiegelplatte entlang geführt, und jede der vier Federn wird über je einen Stützpfosten, welcher jeweils einen auf der Rückseite liegenden Verankerungsbereich kontaktiert, mit der Spiegelplatte verbunden.
Auch ein Ausführen des Herstellungsverfahrens realisiert die oben genannten Vorteile, auf deren erneute Beschreibung hier verzichtet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7567367 B2 [0002]

Claims

Mikromechanisches Bauteil mit: einer Halterung (10); und einer in Bezug zu der Halterung (10) um mindestens eine Rotationsachse (12) verstellbaren Spiegelplatte (14) mit einer Spiegelseite (16) und einer von der Spiegelseite (16) weg gerichteten Rückseite (18), wobei die Spiegelplatte (14) mit der Halterung (10) zumindest über vier Federn (20) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass jede der vier Federn (20) teilweise an der Rückseite (18) der Spiegelplatte (14) entlang verläuft und über je einen Stützpfosten (22), welcher jeweils einen auf der Rückseite (18) liegenden Verankerungsbereich (24) kontaktiert, mit der Spiegelplatte (14) verbunden ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei jeder der vier Verankerungsbereiche (24) der vier Stützpfosten (22) um einen Vektor mit einer parallel zu der Spiegelseite (16) ausgerichteten Komponente beabstandet von der mindestens einen Rotationsachse (12) liegt.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die vier Verankerungsbereiche (24) achsensymmetrisch zu der mindestens einen Rotationsachse (12) auf der Rückseite (18) angeordnet sind.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 3, wobei die vier Verankerungsbereiche (24) achsensymmetrisch zu der einzigen Rotationsachse (12) und einer orthogonal zu der einzigen Rotationsachse (12) ausgerichteten Spiegelsymmetrieachse (26) oder achsensymmetrisch zu den zwei Rotationsachsen auf der Rückseite (18) angeordnet sind.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der vier Verankerungsbereiche (24) der vier Stützpfosten (22) beabstandet von einem Seitenrand der Rückseite (18) ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spiegelplatte (14) eine Ausdehnung (a) von mindestens 2 mm aufweist und ein aus der Spiegelplatte (14) und den vier Federn (20) gebildetes System eine Eigenfrequenz von mindestens 18 kHz hat.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vier Federn (20) zumindest streckenabschnittsweise schneckenförmig, mäanderförmig und/oder schlaufenförmig ausgebildet sind.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Rückseite (18) der Spiegelplatte (14) Verstrebungen (28, 28a, 28b) ausgebildet sind, welche sich von einer zentralen Verdickung (30) der Spiegelplatte (14) zu einem Randbereich der Rückseite (18) erstrecken.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 8, wobei einige der Verstrebungen (28a) um einen Neigungswinkel zwischen 30° und 60° geneigt zu der mindestens einen Rotationsachse (12) ausgerichtet sind und eine senkrecht zu der Spiegelseite (16) ausgerichtete erste Breite (s1) haben, welche größer als eine senkrecht zu der Spiegelseite (16) ausgerichtete zweite Breite (s2) der anderen Verstrebungen (28b) ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 8 oder 9, wobei auf der Rückseite (18) ein die zentrale Verdickung (30) umgebender Ring (44) ausgebildet ist, dessen Radius kleiner als eine sich von der zentralen Verdickung (30) weg erstreckende Länge der Verstrebungen (28a, 28b) ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei auf der Rückseite (18) der Spiegelplatte (14) ein zentraler T-Balken (46) ausgebildet ist, welcher entlang der einzigen Rotationsachse (12) verläuft und senkrecht zu der einzigen Rotationsachse (12) einen T-förmigen Querschnitt aufweist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mikromechanische Bauteil zusätzlich einen Mikrospiegel (50) umfasst, welcher in Bezug zu der Halterung (10) um eine Drehachse (52) verstellbar ist, welche senkrecht zu der einzigen Rotationsachse (12), um welche die Spiegelplatte (14) in Bezug zu der Halterung (10) verstellbar ist, ausgerichtet ist, und wobei der Mikrospiegel (50) so zu der Spiegelplatte (14) angeordnet ist, dass ein an dem Mikrospiegel (50) abgelenkter Lichtstrahl (56) auf die Spiegelseite (16) der Spiegelplatte (14) ablenkbar ist.
Mikrospiegelvorrichtung mit einem mikromechanischen Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Mikrospiegelvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Mikrospiegelvorrichtung als Bild- und/oder Filmprojektor ausgebildet ist.
Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit dem Schritt: Anbinden einer Spiegelplatte (14) mit einer Spiegelseite (16) und einer von der Spiegelseite (16) weg gerichteten Rückseite (18) zumindest über vier Federn (20) derart an einer Halterung (10), dass die Spiegelplatte (14) bei einem Betrieb des fertigen mikromechanischen Bauteils in Bezug zu der Halterung (10) um mindestens eine Rotationsachse (12) verstellt wird; gekennzeichnet durch Führen jeder der vier Federn (20) teilweise an der Rückseite (18) der Spiegelplatte (14) entlang und Verbinden jeder der vier Federn (20) über je einen Stützpfosten (22), welcher jeweils einen auf der Rückseite (18) liegenden Verankerungsbereich (24) kontaktiert, mit der Spiegelplatte (14) (S1).